Avaliação numérica e experimental da carga admissível de vigas compostas para monocarris de sistemas de elevação

Este trabalho foi realizado com o apoio, e em colaboração da empresa Flexcrane, que constrói e comercializa soluções flexíveis de pontes rolantes para cargas ligeiras. Com cargas máximas de 2 toneladas estas pontes e seus caminhos de rolamento são construídas essencialmente enformados a frio. O objetivo deste trabalho é a verificação numérica e experimental das cargas que este tipo de estrutura suporta, nas suas diferentes configurações. Numa aproximação por engenharia inversa, com a realização deste trabalho, foi possível determinar a carga admissível das vigas compostas utilizadas, assim como o seu comportamento quando em carga. Para obtenção destes resultados foram realizadas simulações computacionais recorrendo ao método de elementos finitos, utilizando para isso o software Ansys Workbench e ainda ensaios experimentais que permitiram validar os resultados obtidos numericamente e consolidar o conhecimento sobre o comportamento desta solução comercial. Por ser de construção modular, são possíveis diferentes combinações para o produto final, por esta razão foram estudados numericamente diferentes configurações possíveis, com e sem reforços. Foi realizada a validação experimental para a configuração mais usual, fazendo recurso a um dispositivo para ensaio de estruturas e componentes, pertencente ao Isep. Foi ainda utilizada a técnica extensométrica para avaliar as tensões em pontos selecionados e compara-los com os obtidos numericamente. Concluiu-se pelo ótimo desempenho dos produtos Flexcrane.

Criação de programa informático em ambiente Matlab® para estudo de estruturas planas pelo Método de Elementos Finitos.

Os modelos a ser analisados pelo Método de Elementos Finitos são cada vez mais complexos e, nos tempos que correm, seria impensável realizar tais análises sem um apoio computorizado. Existe para esta finalidade uma vasta gama de programas que permitem realizar tarefas que passam pelo desenho de estruturas, análise estática de cargas, análise dinâmica e vibrações, visualização do comportamento físico (deformações) em tempo real, que permitem a otimização da estrutura. Sob o pretexto de permitir a qualquer utilizador uma análise de estruturas simples com o Método dos Elementos Finitos, surge esta tese, onde se irá criar de raiz um programa com interface gráfica no ambiente MATLAB® para análise de estruturas simples com dois tipos de elemento finito, triangular de deformação constante e quadrangular de deformação linear. O software desenvolvido, verificado por comparação com um software comercial dedicado para o efeito, efetua malhagem com elementos bidimensionais triangulares e quadriláteros e resolve modelos arbitrados pelo Método de Elementos Finitos, representando estes resultados visualmente e em formato tabular.

Projeto mecânico de equipamento para fabrico automatizado de vestuário

O fabrico de vestuário é uma atividade que se desenvolve em Portugal há várias décadas. Existem marcas de vestuário com reconhecimento a nível mundial que são de origem portuguesa. Para se conseguir qualidade é necessário inovar e automatizar determinados processos, de forma a aumentar produtividades e reduzir erros devido à mão de obra de tarefas intensivas. Na empresa Portuguesa Henrique Camões, com uma vasta experiência ligada a equipamentos de fabrico têxtil, nasceu a ideia de projetar um protótipo de um equipamento automatizado para o fabrico de colarinhos e punhos, com a finalidade de verificar a sua viabilidade a nível funcional. Este trabalho teve assim por base a necessidade de efetuar um projeto sobre um equipamento capaz de costurar e cortar colarinhos e punhos, a serem aplicados em peças de vestuário. Inicialmente foi efetuado um estudo prévio de levantamento de equipamentos já existentes para fins semelhantes. Foi então necessário idealizar um equipamento capaz de responder às expectativas e exigências por parte do cliente. Após os esboços iniciais, onde foram definidos os tipos de mecanismos e formas de funcionamento dos diferentes sistemas em função dos movimentos e ações pretendidas e a estrutura do equipamento, estes sistemas foram otimizados por forma a se obter como resultado final um equipamento funcional. Foi também projetado o esquema pneumático e Grafcet de funcionamento do equipamento. Como auxiliares do projeto, apresentam-se a lista de componentes e de processos de fabrico, bem como os desenhos de pormenor de todos os componentes integrantes da estrutura. O resultado final é um conjunto de ideias e soluções possíveis de aplicar num equipamento deste tipo. De facto, a solução proposta é uma possibilidade viável para um equipamento automatizado para costura e corte de colarinhos e punhos.

Comparação de técnicas analíticas e numéricas para previsão de resistência de juntas adesivas de sobreposição simples

As juntas adesivas têm vindo a ser usadas em diversas áreas e contam com inúmeras aplicações práticas. Devido ao fácil e rápido fabrico, as juntas de sobreposição simples (JSS) são um tipo de configuração bastante comum. O aumento da resistência, a redução de peso e a resistência à corrosão são algumas das vantagens que este tipo de junta oferece relativamente aos processos de ligação tradicionais. Contudo, a concentração de tensões nas extremidades do comprimento da ligação é uma das principais desvantagens. Existem poucas técnicas de dimensionamento precisas para a diversidade de ligações que podem ser encontradas em situações reais, o que constitui um obstáculo à utilização de juntas adesivas em aplicações estruturais. O presente trabalho visa comparar diferentes métodos analíticos e numéricos na previsão da resistência de JSS com diferentes comprimentos de sobreposição (LO). O objectivo fundamental é avaliar qual o melhor método para prever a resistência das JSS. Foram produzidas juntas adesivas entre substratos de alumínio utilizando um adesivo époxido frágil (Araldite® AV138), um adesivo epóxido moderadamente dúctil (Araldite® 2015), e um adesivo poliuretano dúctil (SikaForce® 7888). Consideraram-se diferentes métodos analíticos e dois métodos numéricos: os Modelos de Dano Coesivo (MDC) e o Método de Elementos Finitos Extendido (MEFE), permitindo a análise comparativa. O estudo possibilitou uma percepção crítica das capacidades de cada método consoante as características do adesivo utilizado. Os métodos analíticos funcionam apenas relativamente bem em condições muito específicas. A análise por MDC com lei triangular revelou ser um método bastante preciso, com excepção de adesivos que sejam bastante dúcteis. Por outro lado, a análise por MEFE demonstrou ser uma técnica pouco adequada, especialmente para o crescimento de dano em modo misto.

Aplicação do modelo escoras e tirantes a vigas parede de acordo com o Eurocódigo 2:2010

O Modelo Escoras e Tirantes surgiu no início do Século XX quando Ritter e Mörsch estabeleceram a analogia entre uma treliça clássica e uma viga de betão armado. Desde então pesquisadores têm estudado esse modelo como método de dimensionamento. A partir dos anos 90 várias normas apresentaram a utilização do modelo escoras e tirantes como relevante no dimensionamento de elementos de betão armado. Os critérios de segurança do Modelo Escoras e Tirantes são neste trabalho explicados de acordo com o Eurocódigo 2:2010, e comparadas com as normas NBR 6118:2014 e ACI 318:2011. É unanime dizer que a utilização do método torna-se mais vantajosa para regiões de descontinuidade. Em todos os elementos de betão armado, o Método Escoras e Tirantes são representações dos campos de tensão idealizados por elementos comprimidos e tracionados. Para a definição destes elementos é proposto o processo de “caminho de carga” em que conhecidas as tensões elásticas e suas direções principais utilizando o Método dos Elementos Finitos o modelo das escoras e tirantes é de fácil concepção. É também possível a definição deste a partir de modelos padrão já concebidos para determinados tipos de elementos estruturais de betão armado. Para o elemento descontinuo viga-parede estudado foram apresentados cinco modelos de cálculo até otimizar a solução validando as tensões com o Método dos Elementos Finitos. Em todos os modelos foram analisadas a definição do Modelo Escoras e Tirantes, a resistência das escoras, dos tirantes e dos nós até chegar à solução construtiva da viga-parede. Concluiu-se que a definição do modelo é a chave do dimensionamento.

Numerical simulation of blast effects on fibre grout RC panels

The main purpose of the present dissertation is the simulation of the response of fibre grout strengthened RC panels when subjected to blast effects using the Applied Element Method, in order to validate and verify its applicability. Therefore, four experimental models, three of which were strengthened with a cement-based grout, each reinforced by one type of steel reinforcement, were tested against blast effects. After the calibration of the experimental set-up, it was possible to obtain and compare the response to the blast effects of the model without strengthening (reference model), and a fibre grout strengthened RC panel (strengthened model). Afterwards, a numerical model of the reference model was created in the commercial software Extreme Loading for Structures, which is based on the Applied Element Method, and calibrated to the obtained experimental results, namely to the residual displacement obtained by the experimental monitoring system. With the calibration verified, it is possible to assume that the numerical model correctly predicts the response of fibre grout RC panels when subjected to blast effects. In order to verify this assumption, the strengthened model was modelled and subjected to the blast effects of the corresponding experimental set-up. The comparison between the residual and maximum displacements and the bottom surface’s cracking obtained in the experimental and the numerical tests yields a difference of 4 % for the maximum displacements of the reference model, and a difference of 4 and 10 % for the residual and maximum displacements of the strengthened model, respectively. Additionally, the cracking on the bottom surface of the models was similar in both methods. Therefore, one can conclude that the Applied ElementMethod can correctly predict and simulate the response of fibre grout strengthened RC panels when subjected to blast effects.

Electro-Optical/Infrared sensor turret integration on an aircraft - structural im-pact on LOCKHEED MARTIN C-130H and design methodology

The growing need to patrol and survey large maritime and terrestrial areas increased the need to integrate external sensors on aircraft in order to accomplish those patrols at increasingly higher altitudes, longer range and not depending upon vehicle type. The main focus of this work is to elaborate a practical, simple, effective and efficient methodology for the aircraft modification procedure resulting from the integration of an Elec-tro-Optical/Infra-Red (EO/IR) turret through a support structure. The importance of the devel-opment of a good methodology relies on the correct management of project variables as time, available resources and project complexity. The key is to deliver a proper tool for a project de-sign team that will be used to create a solution that fulfils all technical, non-technical and certi-fication requirements present in this field of transportation. The created methodology is inde-pendent of two main inputs: sensor model and aircraft model definition, and therefore it is in-tended to deliver the results for different projects besides the one that was presented in this work as a case study. This particular case study presents the development of a structure support for FLIR STAR SAPHIRE III turret integration on the front lower fuselage bulkhead (radome) of the LOCKHEED MARTIN C-130 H. Development of the case study focuses on the study of local structural analysis through the use of Finite Element Method (FEM). Development of this Dissertation resulted in a cooperation between Faculty of Science and Technology - Universidade Nova de Lisboa and the company OGMA - Indústria Aeronáutica de Portugal

Experimental and numerical approaches for structural assessment in new footbridge designs (SFRSCC–GFPR hybrid structure)

Within the civil engineering field, the use of the Finite Element Method has acquired a significant importance, since numerical simulations have been employed in a broad field, which encloses the design, analysis and prediction of the structural behaviour of constructions and infrastructures. Nevertheless, these mathematical simulations can only be useful if all the mechanical properties of the materials, boundary conditions and damages are properly modelled. Therefore, it is required not only experimental data (static and/or dynamic tests) to provide references parameters, but also robust calibration methods able to model damage or other special structural conditions. The present paper addresses the model calibration of a footbridge bridge tested with static loads and ambient vibrations. Damage assessment was also carried out based on a hybrid numerical procedure, which combines discrete damage functions with sets of piecewise linear damage functions. Results from the model calibration shows that the model reproduces with good accuracy the experimental behaviour of the bridge.

Numerical simulation of the punching shear behaviour of self-compacting fibre reinforced flat slabs

This paper presents the numerical simulations of the punching behaviour of centrally loaded steel fibre reinforced self-compacting concrete (SFRSCC) flat slabs. Eight half scaled slabs reinforced with different content of hooked-end steel fibres (0, 60, 75 and 90 kg/m3) and concrete strengths of 50 and 70 MPa were tested and numerically modelled. Moreover, a total of 54 three-point bending tests were carried out to assess the post-cracking flexural tensile strength. All the slabs had a relatively high conventional flexural reinforcement in order to promote the occurrence of punching failure mode. Neither of the slabs had any type of specific shear reinforcement rather than the contribution of the steel fibres. The numerical simulations were performed according to the Reissner-Mindlin theory under the finite element method framework. Regarding the classic formulation of the Reissner-Mindlin theory, in order to simulate the progressive damage induced by cracking, the shell element is discretized into layers, being assumed a plane stress state in each layer. The numerical results are, then, compared with the experimental ones and it is possible to notice that they accurately predict the experimental force-deflection relationship. The type of failure observed experimentally was also predicted in the numerical simulations.

Recycled steel fibre reinforced concrete failing in bending and in shear

Recent research is showing that the addition of Recycled Steel Fibres (RSF) from wasted tyres can decrease significantly the brittle behaviour of cement based materials, by improving its toughness and post-cracking resistance. In this sense, Recycled Steel Fibre Reinforced Concrete (RSFRC) seems to have the potential to constitute a sustainable material for structural and non-structural applications. To assess this potential, experimental and numerical research was performed on the use of RSFRC in elements failing in bending and in beams failing in shear. The values of the fracture mode I parameters of the developed RSFRC were determined by performing inverse analysis with test results obtained in three point notched beam bending tests. To assess the possibility of using RSF as shear reinforcement in Reinforced Concrete (RC) beams, three point bending tests were executed with three series of RSFRC beams flexurally reinforced with a relatively high reinforcement ratio of longitudinal steel bars in order to assure shear failure for all the tested beams. By performing material nonlinear simulations with a computer program based on the finite element method (FEM), the applicability of the fracture mode I crack constitutive law derived from the inverse analysis is assessed for the prediction of the behaviour of these beams. The performance of the formulation proposed by RILEM TC 162 TDF and CEB-FIP 2010 for the prediction of the shear resistance of fibre reinforced concrete elements was also evaluated.

Shear strengthening of damaged reinforced concrete beams with hybrid composite plates

This paper aims to evaluate experimentally the potentialities of Hybrid Composite Plates (HCPs) technique for the shear strengthening of reinforced concrete (RC) beams that were previously subjected to intense damage in shear. HCP is a thin plate of Strain Hardening Cementitious Composite (SHCC) reinforced with Carbon Fiber Reinforced Polymer (CFRP) laminates. For this purpose, an experimental program composed of two series of beams (rectangular and T cross section) was executed to assess the strengthening efficiency of this technique. In the first step of this experimental program, the control beams, without steel stirrups, were loaded up to their shear failure, and fully unloaded. Then, these pre-damaged beams were shear strengthened by applying HCPs to their lateral faces by using a combination of epoxy adhesive and mechanical anchors. The bolts were applied with a certain torque in order to increase the concrete confinement. The obtained results showed that the increase of load carrying capacity of the damaged strengthened beams when HCPs were applied with epoxy adhesive and mechanical anchors was 2 and 2.5 times of the load carrying capacity of the corresponding reference beams (without HCPs) for the rectangular and T cross section beam series, respectively. To further explore the potentialities of the HCPs technique for the shear strengthening, the experimental tests were simulated using an advanced numerical model by a FEM-based computer program. After demonstration the good predictive performance of the numerical model, a parametric study was executed to highlight the influence of SHCC as an alternative for mortar, as well as the influence of torque level applied to the mechanical anchors, on the load carrying capacity of beams strengthened with the proposed technique.

Masonry macro-block analysis

The structural analysis involves the definition of the model and selection of the analysis type. The model should represent the stiffness, the mass and the loads of the structure. The structures can be represented using simplified models, such as the lumped mass models, and advanced models resorting the Finite Element Method (FEM) and Discrete Element Method (DEM). Depending on the characteristics of the structure, different types of analysis can be used such as limit analysis, linear and non-linear static analysis and linear and non-linear dynamic analysis. Unreinforced masonry structures present low tensile strength and the linear analyses seem to not be adequate for assessing their structural behaviour. On the other hand, the static and dynamic non-linear analyses are complex, since they involve large time computational requirements and advanced knowledge of the practitioner. The non-linear analysis requires advanced knowledge on the material properties, analysis tools and interpretation of results. The limit analysis with macro-blocks can be assumed as a more practical method in the estimation of maximum load capacity of structure. Furthermore, the limit analysis require a reduced number of parameters, which is an advantage for the assessment of ancient and historical masonry structures, due to the difficult in obtaining reliable data.

Shear strengthening of reinforced concrete beams with SHCC-FRP panels

Tese de Doutoramento em Engenharia Civil

Evaluation of the DPMFoam solver

[Extrat] Multiphase flows are relevant in several industrial processes, thus the availability of accurate numerical modeling tools, able to support the design of products and processes, is of much significance. OpenFOAM version 2.3.x comprises a multiphase flow solver able to couple Eulerian and Lagrangian phases using the discrete particles method (DPM), the DPMFoam. In this work the DPMFoam solver is assessed by comparing its predictions with analytical results and experimental and simulated data available in the literature. They are results from Goldschmidt’s [1] and Hoomans’s [2] theses and the analytical Ergun equation. The goal was to define accuracy and performance of DPMFoam in general scientific or commercial applications. Obtained results demonstrate a good agreement with the reference simulation data and is within reasonable deviations from the experimental values. (...)

Dispersion of fillers in viscoelastic polymer matrices using Eulerian-Lagrangian approaches

Understanding the behavior of c omplex composite materials using mixing procedures is fundamental in several industrial processes. For instance, polymer composites are usually manufactured using dispersion of fillers in polymer melt matrices. The success of the filler dispersion depends both on the complex flow patterns generated and on the polymer melt rheological behavior. Consequently, the availability of a numerical tool that allow to model both fluid and particle would be very useful to increase the process insight. Nowadays there ar e computational tools that allow modeling the behavior of filled systems, taking into account both the behavior of the fluid (Computational Rheology) and the particles (Discrete Element Method). One example is the DPMFoam solver of the OpenFOAM ® framework where the averaged volume fraction momentum and mass conservation equations are used to describe the fluid (continuous phase) rheology, and the Newton’s second law of motion is used to compute the particles (discrete phase) movement. In this work the refer red solver is extended to take into account the elasticity of the polymer melts for the continuous phase. The solver capabilities will be illustrated by studying the effect of the fluid rheology on the filler dispersion, taking into account different fluid types (generalized Newtonian or viscoelastic) and particles volume fraction and size. The results obtained are used to evaluate the relevance of considering the fluid complex rheology for the prediction of the composites morphology